劉光華 魏紅

摘 要：目前關(guān)于穿越大型具有防滲要求的輸水結(jié)構(gòu)的分析研究相對較少。采用三維數(shù)值模擬仿真技術(shù)，對穿越南水北調(diào)中線北京段盧溝橋輸水暗涵（方涵）電力隧道豎井、掘進施工過程及其引發(fā)輸水方涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、變形響應(yīng)進行了動態(tài)模擬。通過應(yīng)力應(yīng)變分析及關(guān)鍵點的沉降監(jiān)測追蹤得出，該電力隧道施工造成在輸水方涵頂部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力，約為0.36 MPa，引發(fā)輸水方涵最大沉降達到2.86 mm，發(fā)生在方涵靠近豎井側(cè)，接近于輸水方涵極限沉降值3.0 mm，臨近輸水方涵的豎井開挖使輸水方涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不均勻沉降值達到了1.3 mm，會對輸水方涵的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。隧道穿越地層為卵石松散層，掘進開挖步距不宜大于0.5 m，對電力隧道周圍土體需進行注漿加固處理，施工應(yīng)遵循“管超前、嚴注漿、勤量測、短開挖、強支護、快封閉”的原則。

關(guān)鍵詞：隧洞;輸水方涵;數(shù)值模擬;應(yīng)力變形;防滲;南水北調(diào)工程

中圖分類號：TV68 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.022

Abstract： There are many analysis and researches on the crossing engineering of urban engineering construction and relatively few water conveyance structures with impervious requirements for crossing large-scale projects. In this paper， three-dimensional numerical simulation technology was used to dynamically simulate the construction process of electric tunnel shaft and tunneling， and its response to stress， strain and deformation of culvert structure. Through stress-strain analysis and settlement monitoring tracking of key points， the tensile stress of the top structure of the culvert is about 0.36 MPa， but the maximum settlement of the culvert is 2.86 mm， which occurs near the shaft side of the culvert， approaching the limit settlement of the culvert 3.0 mm and near the shaft of the culvert. The excavation has a great influence to the uneven settlement of the culvert itself. The uneven settlement value of the culvert structure reaches 1.3 mm， which will have a negative impact on the structure of the culvert. It is proposed that the tunnel passes through the stratum with pebble loose layer， and the excavation distance should not exceed 0.5 m. Soil around the power tunnel should be reinforced by grouting. Pipe advance， strict grouting， frequent measurement， short excavation， strong support and quick closure should be adopted in construction.

Key words： power tunnel; water conveyance culvert; numerical analysis; stress deformation; anti-seepage; South-to-North Water Diversion Project

目前在建的穿越工程較多，分析研究穿越施工影響并進行監(jiān)測可為工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。穿越工程施工過程相互影響的分析研究主要采用數(shù)值模擬技術(shù)，目前研究成果較多，但對于穿越大型具有防滲防漏要求的輸水結(jié)構(gòu)工程的相關(guān)研究較少，對穿越大流量輸水結(jié)構(gòu)的影響分析也相對較少。吳新霞等[1]分析研究了西氣東輸對南水北調(diào)穿黃隧洞的影響。楊喜等[2]利用Midas/GTS有限元軟件對鄭州地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠未通水及通水兩種工況進行模擬，分析了盾構(gòu)施工對南水北調(diào)干渠可能產(chǎn)生的影響。劉拓[3]分析了爆破對鄰近引水隧洞的振動響應(yīng)并進行了實測研究，主要針對爆破對與公路隧道并行的輸水隧洞的影響進行了分析研究。鑒于南水北調(diào)盧溝橋輸水方涵為首都城市大型輸水干線工程之一，防止其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏為工程結(jié)構(gòu)安全重點，對結(jié)構(gòu)變形及不均勻沉降要求較高、較嚴格，一旦其應(yīng)力、應(yīng)變及變形超過設(shè)計極限，將出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致滲漏，發(fā)生不可估量的破壞，危及北京城市供水安全。

筆者采用三維數(shù)值有限差分技術(shù)，動態(tài)仿真模擬電力隧道土體超前加固、開挖、襯砌支護循環(huán)施工步驟，分析輸水方涵的應(yīng)力變形特征，對電力隧洞穿越輸水方涵工程進行結(jié)構(gòu)安全性評價，并為電力隧道工程設(shè)計、施工提供控制依據(jù)及建議，確保電力隧道工程施工期間及后期運行對輸水方涵安全供水不造成影響，保障首都的供水安全。

1 工程概況及地質(zhì)概況

工程場地位于北京市豐臺區(qū)西南四環(huán)外，青塔西路與京石高速交叉路口處沿青塔西路西紅線以東5 m。擬建電力隧道為北京豐臺區(qū)重要的輸變電地下線路，其穿越南水北調(diào)中線北京段盧溝橋輸水暗涵（方涵）底部，需新建截面為2.6 m×2.9 m的電力隧道，長度約180 m，電力隧道軸線與輸水方涵斜交，夾角為73°，最小凈距僅為3.0 m。電力隧道施工采用暗挖噴射混凝土的方法，隧道覆土厚度為11～14 m。經(jīng)原設(shè)計部門計算分析，綜合確定輸水方涵允許裂縫寬度為0.2 mm，相應(yīng)輸水方涵豎直方向的最大變形為3 mm（輸水方涵整體結(jié)構(gòu)的極限沉降變形值）[4]。

工程場區(qū)地貌單元屬永定河沖、洪積扇中上部，地形較為平坦，除表層為填土及薄層粉土外，主要為第四系永定河河流沖洪積形成的卵石層，地下水埋藏類型為孔隙潛水，埋深大，不影響工程建設(shè)，場地工程地質(zhì)條件較好[5]。但對于該穿越工程，電力隧道圍巖為第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石，圍巖類別為Ⅴ類，卵石層顆粒間結(jié)構(gòu)性較弱，無黏聚性，圍巖自穩(wěn)能力較差，開挖后易掉塊、坍塌失穩(wěn)。電力隧道掘進施工應(yīng)根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、埋深、地面環(huán)境、開挖面穩(wěn)定性等控制要求及地層結(jié)構(gòu)，采用科學(xué)、合理、安全的掘進施工方案，做好隧洞圍巖支護和加固保護工作，滿足施工安全、地面沉降控制要求。

2.1 計算模型

數(shù)值計算分析范圍沿電力隧道軸線選取160 m，注漿加固起點距隧道設(shè)計起始點10.0 m，注漿加固段總長度32.0 m，模型寬度82.6 m，即沿電力隧道軸線上下各截取41.3 m，模型深度120.0 m，建立三維模型。電力隧道軸線與南水北調(diào)管線斜交，施工豎井與輸水方涵水平距離為10.0 m。下穿隧道、方涵和施工豎井的空間位置關(guān)系如圖1所示，計算模型的三維網(wǎng)格如圖2所示，共劃分四面體單元396 947個、節(jié)點68 156個。

2.2 本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

巖土工程界數(shù)值模擬計算采用的基本本構(gòu)模型主要包括理想彈性體模型和彈塑性體模型等，常見的彈塑性模型有Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prage模型等，Mohr-Coulomb模型廣泛應(yīng)用于巖土工程數(shù)值模擬分析研究中。綜合考慮該工程項目的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，結(jié)合數(shù)值模擬實踐經(jīng)驗，采用Mohr-Coulomb模型本構(gòu)關(guān)系，其數(shù)值模擬計算參數(shù)見表1。

2.3 邊界條件及初始條件

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)及特征，研究模型底面邊界條件為約束豎直Z方向的自由度，側(cè)向邊界條件為約束水平X、Y方向的自由度，地表為自由面邊界。模型結(jié)構(gòu)所受荷載主要為恒荷載（土體和結(jié)構(gòu)自重）。

2.4 仿真模擬計算步驟

根據(jù)施工組織設(shè)計，模擬施工過程中的土體超前注漿加固，開挖斷面結(jié)構(gòu)見圖3。

動態(tài)模擬施工步驟如下：①隧道豎井施工，超前注漿，全斷面加固;②開挖電力隧道截面上層土體0～0.5 m，上部襯砌支護0～0.5 m;③開挖施工上層土體0.5～1.0 m，上部襯砌支護0.5～1.0 m，同步開挖下層土體0～0.5 m，下部襯砌支護0～0.5 m;④開挖上層土體1.0～1.5 m，上部襯砌支護1.0～1.5 m，同步開挖下層土體0.5～1.0 m，下部襯砌支護0.5～1.0 m。

2.5 沉降監(jiān)測關(guān)鍵點設(shè)置

在電力隧道開挖過程中，地表、電力隧道洞頂和輸水方涵底板都隨著施工開挖的進行而不斷發(fā)生沉降。為分析數(shù)值模擬施工過程中不同部位的沉降變形特征，設(shè)置了3個沉降變形監(jiān)測關(guān)鍵點（A、B、C），A點為輸水方涵與電力隧道相交處的方涵底板中點，B點為輸水方涵與電力隧道相交處隧道襯砌的上頂點，C點為輸水方涵與電力隧道相交處地表的控制點。

3 輸水方涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

采用三維數(shù)值有限差分法模擬分析電力隧道超前注漿、開挖、支護襯砌循環(huán)掘進施工情況下輸水方涵的應(yīng)力變化特征，主要討論施工對輸水方涵產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力兩個參數(shù)的影響，研究電力隧道施工對輸水方涵結(jié)構(gòu)安全性的影響。

數(shù)值仿真動態(tài)模擬計算得到的電力隧道施工時輸水方涵產(chǎn)生的最大、最小主應(yīng)力云圖見圖4和圖5。

電力隧道暗挖法施工時輸水方涵最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）出現(xiàn)在輸水方涵的中間混凝土隔板及拐角處，數(shù)值約為1.93 MPa;下方電力隧道施工時輸水方涵頂部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）約為0.36 MPa，方涵結(jié)構(gòu)受電力隧道工程施工影響產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)抗拉強度（0.65 MPa），施工對輸水方涵結(jié)構(gòu)影響不大。另外，可以看出，豎井開挖及輸水方涵與電力隧道斜交所引起的拉應(yīng)力并不是嚴格沿著輸水方涵中隔墻呈現(xiàn)對稱分布。

4 沉降變形分析研究

4.1 沉降變形特征

數(shù)值仿真模擬計算得到的輸水方涵沉降云圖及電力隧洞軸線沉降云圖見圖6、圖7。

電力隧道施工引發(fā)輸水方涵響應(yīng)產(chǎn)生的最大沉降達2.86 mm，發(fā)生在輸水方涵靠近豎井側(cè)（東側(cè)）;豎井開挖及隧洞施工引發(fā)輸水方涵的不均勻沉降達1.30 mm;地表回填土層的最大沉降為2.1 mm。

4.2 監(jiān)測點沉降變形特征

根據(jù)數(shù)值仿真模擬施工過程計算分析，繪制出關(guān)鍵點A、B、C的沉降曲線，如圖8～圖10所示。A、B、C點最大沉降分別為2.86、2.30、2.10 mm，輸水方涵不均勻沉降為1.30 mm。

4.3 沉降分析

根據(jù)數(shù)值仿真計算結(jié)果不難看出：

（1）電力隧道豎井的開挖施工對豎井底板下層土層將產(chǎn)生卸載效應(yīng)，底板土體回彈現(xiàn)象明顯，不對稱卸載對輸水方涵影響較大，施工中應(yīng)對底板進行加固處理，防止底板變形過大，影響電力隧道圍巖的穩(wěn)定性。

（2）臨近輸水方涵的豎井開挖對于方涵本身的不均勻沉降影響較大，使輸水方涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不均勻沉降達到了1.3 mm，會對輸水方涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

（3）電力隧道及豎井開挖對輸水方涵的影響最大，沉降達到了2.86 mm，接近于輸水方涵極限沉降值3.0 mm，施工中應(yīng)密切關(guān)注隧道圍巖的加固范圍和加固效果。

5 結(jié) 語

通過模擬施工步驟，分析掘進施工底部穿越的輸水方涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形特征，得到如下結(jié)論：

（1）輸水方涵允許裂縫寬度為0.2 mm，豎直方向的最大變形值為3 mm，對電力隧道施工要求嚴格。電力隧道下穿重要的輸水方涵，施工方法采用暗挖法，掌子面開挖施工造成方涵底部土體應(yīng)力釋放，使輸水方涵出現(xiàn)安全隱患，必須足夠重視豎井開挖的及時支護問題，盡量減小方涵的不均勻沉降。

（2）電力隧道暗挖法施工時輸水方涵頂部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力約為0.36 MPa，方涵壓應(yīng)力發(fā)生在中間混凝土隔板及拐角處，其數(shù)值約為1.93 MPa;方涵結(jié)構(gòu)受電力隧道工程施工影響產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)抗拉強度（0.65 MPa），施工對輸水方涵結(jié)構(gòu)影響不大。豎井開挖及輸水方涵與電力隧道斜交所引起的應(yīng)力明顯呈現(xiàn)不對稱分布特點。

（3）輸水方涵的最大沉降達到2.86 mm，發(fā)生在方涵靠近豎井側(cè)（東側(cè)），接近于輸水方涵極限沉降（3.0 mm），臨近輸水方涵的豎井開挖造成輸水方涵的不均勻沉降達到了1.3 mm。隧道掘進施工中應(yīng)密切關(guān)注加固范圍和加固效果。

（4）電力隧道穿越地層為卵石松散層，開挖步距不宜大于0.5 m。對電力隧道周圍土體應(yīng)進行注漿加固處理，加固范圍必須保證在拱頂以上不小于2.0 m、邊墻以外不小于1.5 m、底板以下不小于1.0 m。電力隧道掘進施工應(yīng)遵循“管超前、嚴注漿、勤量測、短開挖、強支護、快封閉”的原則。

參考文獻：

[1] 吳新霞，趙根，錢勝國.西氣東輸工程對南水北調(diào)穿黃隧洞影響風(fēng)險評價[J].爆破，2004（4）：79-82.

[2] 楊喜，鄒琦，王慶.地鐵隧道穿越南水北調(diào)干渠施工影響分析[J].隧道建設(shè)，2013，33（7）：562-566.

[3] 劉拓.公路隧道爆破對鄰近引水隧洞振動響應(yīng)的分析與實測研究[J].隧道建設(shè)，2014，34（12）：1126-1130.

[4] 北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（北京段）盧溝橋暗涵初步設(shè)計階段報告[R].北京：北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，2004：5-90.

[5] 北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程盧溝橋暗涵初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告（修訂本）[R].北京：北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，2004：5-20.

【責(zé)任編輯 張華巖】